Reflexe (fyzická)

Odraz ve fyzice je změna ve směru vlny na rozhraní dvou prostředí. Po odrazu zůstává vlna ve svém počátečním propagačním médiu . Může se odrážet více typů vln, takže elektromagnetické vlny se odrážejí od dielektrik nebo kovů , vytvářejí skelný odraz nebo kovový odraz, mohou se odrážet akustické vlny, což je příčinou ' ozvěny, například elektrické vlny se mohou odrážet na spojení mezi kabely a mechanické vlny, jako jsou vlny nebo seismické vlny, mohou také zažít tento jev.

V určitých případech je možné snížit odraz vln pomocí antireflexních úprav nebo díky přizpůsobení impedancí .

Fenomén odrazu je znám po staletí, nejprve v optice , poté v akustice . Řídí se zákony nazývanými zákony odrazu:

Mezi úhlem dopadu a úhlem odrazu je rovnost .
Odražená vlna se šíří ve stejném médiu jako dopadající vlna.

Způsob, jakým jsou vlny modifikovány odrazem, závisí do značné míry na jejich typu, frekvenci a složení média, ve kterém vlny fungují.

Historický

Zdá se, že první postulaci zákona reflexe by provedl Euclid . V době platonické školy byl tento zákon již široce známý. Během I prvním století , Hero Alexandrie studoval úvahy o různých zrcadla tak, aby bylo možné vyvodit, že světlo se pokaždé „nejkratší cestu.“

V roce 1500 provedl Leonardo da Vinci první srovnání světla a zvuku a ukázal, že zvuk lze také odrážet. Z toho v roce 1508 dokonce vyvodil, že světlo i zvuk mají vlnovou povahu.

V době Isaaca Newtona a díky jeho objevům začal být zkoumán mechanismus odrazu světla. Do té doby se věřilo, že odraz světla, stejně jako princip pružného šoku , byl výsledkem dopadu částic světla na hmotu. Publikace Newtonových studií v Opticks pak vede k myšlence, že odraz světla je jednotná síla na povrchu materiálů a která působí na světlo, aby ho odpuzovala.

Byl to také Newton, kdo v roce 1666 navrhl první reflexní a nerefrakční dalekohledy, kombinace tohoto dalekohledu dokonce nesla jeho jméno: Newtonův dalekohled . U dalekohledů gregoriánského typu jako první používali zrcadla a ne velké skleněné čočky.

Teprve v roce 1809 byl objeven fenomén polarizace odrazem, který následoval po práci Étienne Louis Malus . V tomto období došlo ke střetu korpuskulární teorie a vlnové teorie světla. Díky práci Jamese Clerka Maxwella a jeho „ Maxwellových rovnic “ je možné dokázat a demonstrovat fenomén odrazu v elektromagnetismu a také vysvětlit polarizaci, zejména polarizaci odrazem.

Optický odraz

Studium odrazu v optice se často nazývá catoptric. V optice lze zrcadlový odraz také odlišit od rozptýleného. První probíhá na plochých površích a umožňuje odraz světelného paprsku pouze v jednom směru prostoru podle zákona odrazu, druhý probíhá na drsných površích a odráží dopadající vlnu ve všech směrech od vesmíru.

Zrcadlový odraz

Zrcadlový odraz se řídí jedním ze zákonů Snella-Descarta . Dopadající světlo se vrací pouze v jednom směru, přičemž zůstává v rovině dopadu.

Difúzní odraz

Difúzní odraz je takový, že dopadající světlo se odráží v širokém rozsahu směrů, aniž by zůstalo pouze v rovině dopadu (pozor na zavádějící 2D reprezentace). Toto je nejběžnější případ v přírodě: většina prostředí

nejsou dokonale neprůhledné, část světla vstupuje do média a je odrážena částicemi (např. mlékem nebo krystaly (např. sněhem nebo mramorem ), které jsou uvnitř média;
mít drsný povrch, takže světlo dopadající na povrch se odráží trochu ve všech směrech.

Úplná reflexe

Zvláštní případ vyplývající z totálního myšlení je frustrované totální myšlení. Frustrované celkové myšlení není fenoménem reflexe. Když se vlna úplně odráží na dioptrii, je možné způsobit, že se z evanescentní vlny obnovené na výstupu z dioptrie, kde došlo k celkovému odrazu, objevila progresivní elektromagnetická vlna .

Odraz v elektromagnetismu

Ve fyzikální optice a obecněji v elektromagnetismu mluvíme o „skleněném odrazu“ a „kovovém odrazu“ pro dva případy odrazu, které mohou nastat u elektromagnetických vln .

Skleněný odraz

Skleněný odraz nastává na rozhraní mezi dvěma dielektrickými materiály různých indexů. Vyrábí se oscilací dipólů materiálu buzeného dopadající vlnou; tato oscilace způsobuje elektromagnetické vyzařování, které dává odraženou vlnu. Skleněný odraz lze vypočítat pomocí Fresnelových koeficientů .

Kovový odraz

Kovový odraz nastává na rozhraní mezi jakýmkoli médiem a kovem . Vyrábí se excitací elektronů, které znovu emitují odraženou vlnu. Elektrony jsou excitovány přes charakteristickou tloušťku zvanou tloušťka kůže charakterizující průnik elektromagnetické vlny do kovového média

Kvantová mechanika

V kvantové mechanice lze studovat chování částic čelících potenciální bariéře . Tyto částice lze analogicky s klasickou mechanikou „přenášet“ nebo „odrážet“. Koeficienty odrazu a propustnosti se počítají jako poměr toků částic tvořících rovinnou vlnu .

Je možné vzít si příklad částice s vlnovou funkcí a potenciálem, jako například: $\ psi (x, t) = \ psi (x) e ^ {{- i {\ frac {Et} {\ hbar}}}}$

{\ begin {cases} 0 \ Leftrightarrow x \ in {\ mathbb {R}} _ {-} ^ {*} \\ V_ {0} \ Leftrightarrow x \ in {\ mathbb {R}} _ {+} ^ {*} \ end {cases}}

V případě, že E, energie, je menší než V 0 , jsou řešení Schrödingerovy rovnice ve stacionárním režimu , tj. Nezávislé na čase, následující:

{\ begin {cases} \ psi (x) = e ^ {{ikx}} + \ xi e ^ {{- ikx}} \ Leftrightarrow x \ in {\ mathbb {R}} _ {-} ^ {*} \\\ psi (x) = \ beta e ^ {{- i \ kappa x}} \ Leftrightarrow x \ in {\ mathbb {R}} _ {+} ^ {*} \ end {cases}}

, kde a .

k = {\ frac {{\ sqrt {2mE}}} {\ hbar}}

\ kappa = {\ frac {{\ sqrt {2m (V_ {0} -E)}}} {\ hbar}}

Spojitost vlnové funkce pak vede k:

\ xi = {\ frac {ki \ kappa} {k + i \ kappa}}

, jehož modul čtverce se rovná 1.

Když je energie částice nižší než potenciál projít, je vlna analogicky s klasickou mechanikou zcela odražena, protože dopadající vlna má stejnou intenzitu jako odražená vlna. Také vlnová funkce na straně potenciálu je klesající exponenciální funkcí, podobně jako evanescentní vlna v elektromagnetismu.

Když E je větší než V 0 , řešení jsou:

{\ begin {cases} \ psi (x) = \ xi _ {+} e ^ {{ikx}} + \ xi _ {-} e ^ {{- ikx}} \ Leftrightarrow x \ in {\ mathbb {R }} _ {-} ^ {*} \\\ psi (x) = \ beta _ {+} e ^ {{i \ kappa x}} + \ beta _ {-} e ^ {{- i \ kappa x }} \ Leftrightarrow x \ in {\ mathbb {R}} _ {+} ^ {*} \ end {cases}}

, kde tentokrát .

\ kappa = {\ frac {{\ sqrt {2m (E-V_ {0})}}} {\ hbar}}

Pokud částice pochází z nulového potenciálu a dosáhne potenciálu V 0 , a nastavením zjistíme následující koeficienty: $\ xi _ {+} = 1, \ beta _ {-} = 0$

\ xi _ {-} = {\ frac {k- \ kappa} {k + \ kappa}}

Mechanické myšlení

Vlny

Seismické vlny

Akustický odraz

Elektrický odraz

Fenomén odrazu, který je schopen aplikovat na jakýkoli typ vlny, mohou vlny elektrického pole v liniích napětí projít odrazy. V případě ztrátových a bezztrátových vedení způsobují zakončení reflexní jev, jehož faktor závisí na povaze zakončení.

Rezistivní zakončení má odrazivost, která se může pohybovat od -1 do 1, kde indukční nebo kapacitní zakončení nemá snadno stanovitelnou hodnotu.

V odporových zakončeních je možné potlačit odraženou vlnu úpravou odporu, aby se získala hodnota charakteristické impedance vedení.

Přerušení nebo zkrat lze přirovnat k jevu úplného odrazu.

Veličiny související s odrazem

Koeficient odrazu

Ať je pole jakékoli, často se definuje koeficient odrazu, který umožňuje charakterizovat chování média ve srovnání s dopadající vlnou. Součinitel odrazu lze definovat v amplitudě nebo v intenzitě.

Koeficient odrazu amplitudy je definován takto:

r = {\ frac {A_ {r}} {A_ {i}}}

Kde r je nejčastěji komplexní číslo, jehož fáze umožňuje odvodit fázový posun mezi odraženou vlnou amplitudy A r a dopadající vlnou amplitudy A i .

Koeficient odrazu intenzita takto takto: . $R = | r | ^ {2}$

Albedo

Albedo materiálu je určena jeho schopností opětovně vyzařují dopadajícího záření. Tato veličina je široce používána v radiometrii a fotometrii a je definována jako:

A = {\ frac {F _ {{\ text {é}}}} {F _ {{i}}}}

Což je poměr znovu emitovaného toku F e zrcadlovým a difuzním odrazem, tedy s výjimkou tepelné emise těla a dopadajícího toku F i . Černé těleso má albedo 0 a dokonalé zrcadlo má albedo 1. Jako poměr toku a charakteristické pro materiál, albedo závisí na stavu povrchu materiálu, jakož i na úhlu dopadu. Zdroje a frekvence .

Měřeno

Aplikace

Reflexe se používá v geofyzice jako součást seismické reflexe , což je technika pro analýzu sedimentů, která se objevila v padesátých letech minulého století a představovala 94% geofyzikálních výdajů na celém světě v roce 1991, což je podíl hlavně díky použití této techniky v ropném průmyslu.

Poznámky a odkazy

Balland 2007 , str. 4-5
Balland 2007 , s. 12
Balland 2007 , str. 9-10
Winckler 1748 , str. 93-94
Balland 2007 , s. 18
Balland 2007 , s. 24
Taillet, Febvre a Villain 2009 , s. 76
Taillet, Febvre a Villain 2009 , s. 473-474
Taillet, Febvre a Villain 2009 , s. 474
Taillet, Febvre a Villain 2009 , s. 473
„ Kovový odraz hladkým povrchem “ , na Inženýrské techniky
Basdevant, Dalibard a Joffre 2002 , str. 67-71
Gardiol a Neirynck 2002 , str. 40-41
Taillet, Febvre a Villain 2009 , s. 98
Taillet, Febvre a Villain 2009 , s. 15
Henry 1997 , str. 1

Bibliografie

Richard Taillet , Pascal Febvre a Loïc Villain , slovník fyziky , De Boeck , kol. "De Boeck Supérieur",listopadu 2009, 754 s.
Bernard Balland , Geometrická optika , Lisy polytechniques universitaire romandes,2007, 860 s.
Johann Heinrich Winckler , Esej o povaze, účincích a příčinách elektřiny s popisem dvou nových elektrických strojů , Paříž, Sébastien Jorry,1748, 156 s.
Jean-Louis Basdevant , Jean Dalibard a Manuel Joffre , kvantová mechanika , Éditions École Polytechnique,2002, 520 s. ( číst online )
Fred Gardiol a Jacques Neirynck ( eds. ), Électromagnétisme , sv. 3, Polytechnic University Presses Romandes,2002, 445 s. ( ISBN 2-88074-508-X , číst online )
Georges Henry , Seismická reflexe: Principy a vývoj , Paříž, TECHNIP,1997, 172 s. ( ISBN 2-7108-0725-4 , číst online )